第12章、数字电视技术

第十二章数字电视技术学习要点：1．信源编码、MPEG2图像压缩标准、伴音压缩标准；2．多路复用、节目复用技术；3．信道编码及前向纠错原理；4．数字电视广播标准；5．数字电视接收机方框图；6．有线数字电视接收机方框图；7．有线数字电视机顶盒的功能和结构；8．有线数字电视技术中的常用接口。我们知道，电视广播有一个录制(摄像)、发射、接收的信号传递过程。传统模拟电视传递的是电压、电流等物理信号，在传播过程中这些信号易被干扰和损失，因此模拟电视最终显示的图像质量、声音质量与演播室播出的原版有一定的差距，容易有噪波、重影、噪声及失真等现象。见图12-1所示。图12－1电视信号的形成和传播而数字电视传递的信号是离散变化的数字量（0、1组合），先将原图像、声音信号进行数字编码，然后将这些数字组合传递给接收机解码，并形成图像和声音。在传播过程中只传递数字量，而不传递噪波等干扰信息，同时数字电路可利用信号相关性通过计算处理，对信号进行检错、纠错，只要电路的逻辑关系正确就能保持正确的重现，因此数字电视有更好的信号传播质量，其清晰度的最高水平是目前电视的6倍，声音为杜比数字CD的声音，具有很高的音响质量和效果。第一节数字电视的信号处理技术在现行彩色电视制式中，中国采用的是PAL制，PAL制彩色电视系统采用与行频锁定的副载波。从频谱分布图来看，见图12－2所示，亮度信号和色度信号的频谱重叠。而亮、色信号分离常采用的技术有：（1）滤波器+陷波器+延迟线；（2）用梳状滤波器实现亮色分离。但频谱重叠会导致亮色串扰的问题。即为了分离亮色信号，牺牲了亮度信号的高频成份。解决频谱重叠的尝试：①MAC制——时分复用分量传送MAC制出现在80年代，是为卫星广播设计的，目的在于解决复合视频传输的亮、色串扰问题和降低带宽。MAC制采用数字声音广播。用MAC制传输高清晰度电视，叫做HD-MAC制。MAC制传输的仍然是模拟电视信号。②D2-MAC制D2-MAC制是众所周知的模、数混合，时分复用分量传输彩色电视系统。在采样和AD转换后，在时间轴上Y信号压缩成2/3，两个色度信号CbCr压缩成1/3，采用DuobinaryData格式编码（这就是“D2”的含义）。亮度信号：720像素，色度信号：U、V各180像素，即4:2:0数据格式。为什么要将电视信号数字化呢？因为模拟电视系统的亮度、色度信号频谱重叠影响了电视图像质量，模拟电视传输易受干扰，信号质量不好，且模拟电视信号在编辑、存储、交换过程中会因信号损失而导致图像质量下降。那么，视频信号数字化要达到什么样的目的呢？

◆方便电视信号的编辑、存储、交换。◆让观众在家里观看到演播室质量的图像。解决上述问题的唯一途径就是———采用压缩编码，信源编码和信道编码是视频信号数字化过程中的两种重要的压缩编码方式。需要注意的是：数字电视使用的压缩编码属于有损编码。一、信源编码信源编码是对节目源信号进行的压缩编码，它通过一系列的数学变换和编码，将数字视频和音频的节目源数据压缩到足够小的bit率，可以在有线电视、卫星电视或地面电视等广播通道中传输。去除电视信号在空间和时间上的冗余是信源编码的指导思想。1．常见编码数字电视中的常见编码见表12－1所示。表12－1常见编码2．JPEG编码JPEG是静止图像专家组的缩写，主要用于静止图像压缩。用于活动图像时，其算法仅限于帧内编码。JPEG主要使用两类算法，一类是DCT，用来得到不同质量的图像；另一类算法是差值脉冲编码。作为一种无损或近似无损的压缩方法，JPEG定义了两种工作模式：顺序方式和逐步方式。在顺序方式中，第一行数据先编码（全部编码），然后是第二行，直到图像结束。逐步方式将整幅图像先按低图像质量进行编码，然后对同一图像再进行编码直到最佳图像质量。JPEG标准——ISO/IEC10918，颁布于1993年。3．MPEG编码MPEG是活动图像专家组的缩写，成立于1988年，旨在建立运动图像及相应音频的编码标准。⑴几种MPEG标准MPEG是一个标准系列，有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等等。①MPEG-1标准MPEG-1是用于数字存储媒体，码率为1.5Mbps的运动图像及相关音频的编码标。MPEG-1标准包括五部分，见表12－2所示。表12－2MPEG-1标准组成②MPEG-2标准MPEG-2是适用于数字电视传输的视频及相应音频的编码标准。标准包括九部分，见12-3所示。表12－3MPEG-3标准组成③MPEG-4标准MPEG-4是音视频对象（Objects）的编码。尽管MPEG-1在数字存储媒体（如VCD），MPEG-2在数字电视已得到广泛应用，但仍需要一个用于表述，集成和变换音视频信息的标准，在诸如固网宽带系统及移动通信窄带系统等的应用。④MPEG-7标准MPEG-7是关于上下关系和目标的标准。数字音视频信息越来越多，但对音视频信息的检索越来越困难，尽管目前有很多以文字为基础的检索、搜索工具，例如Internet上的各种搜索工具，但要发现音视频素材却很困难。MPEG-7的目标是建立一种多种媒体内容的描述接口。信息内容包括静止图像、图形、音频、活动图像以及和这些元素相关的多媒体信息，希望用很少的特征就可以对信息进行检索。⑵MPEG的类和级MPEG-2是MPEG-1的拓展，具有非常广泛的应用领域。为了满足广泛性和通用性的要求，针对不同的处理对象，对MPEG标准制定了类和级。所谓类或称层面，是指信号处理的语法结构，即信号处理压缩使用的工具，而级或称档次，是指被处理的信号参数和取值范围。MPEG的类和级见表12－4所示。表12－4MPEG的类和级⑶音频信号压缩在数字电视技术中，除了图像信号需要压缩以外，声音信号也要压缩，但声音信号压缩要比图像信号压缩简单很多，因为声音信号的信息量比图像信号的信息量少得多。人的耳朵能听到声音的频率范围是20Hz～20kHz，如果我们把20Hz～20kHz按照一定的频带宽度分成很多个频率通道，用来对声音进行过滤和处理，就能对声音信号进行压缩。我们将人耳听觉的局限性来进行音频信号的压缩编码，而不至于使声音质量有明显的变坏，这是音频信号压缩编码的基础之一。音频压缩编码框图如图12－3所示。图12－3MPEG声音编码图综上所述，MPEG-2编码结构如图12－4所示。图12－4MPEG-2系统结构从图中可以看出，音频和视频数据的数字信号经过压缩编码后，形成基本码流（ES），这个基本码流并不能直接存储或传送，还必须送入特设的子系统或打包器，把基本码流按一定的格式分成段落，并加入特定的标识字符形成所谓的打包基本码流（PES），这个过程对于视频或音频数字信号的正确解码是必不可少的。打包器是分别对音频或视频进行打包的，故同一个PES包中，只有一种信号数据，或是音频数据，或是视频数据。经过打包器形成PES包之后，信号被分别送入节目流（PS）或传输流（TS）两个子系统，节目流与MPEG-1系统相似，它是把一个或几个具有公用时间基准的PES数据流利用时分复用组合成一路单一码流，它可以像单个的节目码流（包括音频、视频、控制数据等）一样实现同步解码，这种节目流适用于相对误差小的环境。传输流把一个或几个PES数据流利用时分复用组合成一路单一的码流，但这些PES包可以具有公共的时间基准，也可以有几个独立的时间基准，所不同的是这种传输流（TS）有固定的包长（188字节），以便于正确解码和处理误差。二、信道编码1．信道编码的基本概念从信源编码器输出的数字信号称为信源码，它虽然在信道里有较高的传送效率，但在传输过程中难免会受到信道热噪声和外界电磁干扰等因素的影响，从而使波形发生畸变，当信源码的畸变比较厉害以致解码器无法辨别时，就会对其误判而产生错码。在现代通信的许多领域里，为了保证系统正常可靠运行，都要求信道实现信息的无差错传输。通常减少各种干扰引发错码的做法，是把信源码再次编码，使之成为接收端可以判别错对、甚至还能自动纠正错码的码型，这个过程称为信道编码。信道编码的目的就是减少差错，提高通信传输的可靠性，因此信道编码与解码技术也称作为差错控制技术。信道编码和解码的过程是：在发送端，用信道编码器将信源重新编码，使其既适合信道传输、又有一定抗干扰能力，这种编码就称为抗干扰码。在接收端，由信道解码器在完成对所收到的传输码进行检错、纠错等解码环节后，再将其还原成信源码，工作过程如图12－5所示。图12－5信道编码与解码在通信系统中，利用抗干扰码进行纠错控制有以下三种方式。见表12－5所示。表12－5纠错控制方式2．前向纠错方式前向纠错FEC（ForwardErrorCorrection）方式的原理方框图如图12－6所示，它由一对FEC信道编码器和解码器完成检错和纠错的功能。图12－6前向纠错原理方框图其工作过程为：信源码通过FEC编码器，被编成具有一定纠错能力的抗干扰码后，在信道里传输。接收端收到信息后，FEC解码器根据抗干扰码的特定规律来发现错码，并且可以判断错误字内哪一个码元出错，并自动加以纠正。3．复用（1）节目流复用经过MPEG压缩编码后，一套标准清晰度节目的比特率大约在9Mbps左右，如果按64QAM调制，大约是1.5M符号率。因此8M带宽的频道或通道可以传输4~6套高质量的电视节目，可以传输数十套数字立体声音乐广播。复用是将多个节目的PES（打包基本码流）分成数据包，按一定规则形成传输流，简称TS流，如图12－7所示。图12－7节目流复用示意图◆复用处理过程所谓时分复用就是将几路数据包在存储传输时按一定的规则先后顺序组成一路数据码流。其节目流复用处理过程如图12－8所示。图12－8节目流复用处理方框图在传输流中，同时包含多个节目，在解码重放时，必须能从多个节目中选出希望的一个或几个节目，这也与普通的通道选择一样，不但要能识别出节目所存在的特定码流的传输包PID(通常包括音频和视频的PID)，还要知道这个码流的参量信息和其它相关信息。为了进行这一复杂工序的操作，传输流（TS）还需要几个节目特定信息（PSI）包，这些是由另外规定的数据结构来传送的，在传输复用时，每个小包的头部都有个包识别符（PID），另外再加入一个基本码流表，称为节目映射表，它相当于一个目录表，这个表中包含了关于组成某一节目传输码流的各个基本码流的PID信息、数据性质、码流彼此间的关系和各个节目的具体编号等，这个基本码流（节目映射表）的前边也有包识别符（PID=0）。在解复用时，根据PID＝0识别出节目映射表，如图12-9所示。根据这个节目映射表，找出包含有节目的传输小包的包识别码PID,最后由本节目的识别码PID实现解复用，从而组成原节目码流。图12－9节目解复用的过程三、数字电视广播标准1．DVB-S标准数字视频广播（DVB）标准的宗旨是要设计一个通用的数字电视系统，在此系统内的各种传输方式之间的转换有最简单的方式，尽可能的增加通用性。DVB标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视系统规范。数字卫星广播标准发展始于上世纪90年代初，应用较多的制式是欧洲的DVB-S标准，它的主要特点在于数字信号的传输方式，即信道编码，而信源编码部分都采用了MPEG-2。DVB-S标准名称及编号见表12－6。表12－6DVB-S标准在DVB系统里，除了上述的DVB-S(即卫星广播系统)外，还含有DVB－C(即有线传输系统)标准和DVB-T(即地面数字视频广播系统)标准。DVB-C采用的标准是EN300429V1.2.1，DVB-T采用的标准是1997年8月颁布的EN300744V1.1.2标准。2．ATSC标准ATSC标准是北美和部分南美地区使用的数字电视标准，1995年4月，ATSC成员以通信投票方式通过。该标准定义了在6MHz带宽内传送高质量的视频、音频和辅助数据的系统，该系统在6MHz地面广播通道中能可靠地传送19Mbps数据，在6MHz的电缆电视通道中可靠地传送38Mbps数据，这意味着能把一个分辨率为传统NTSC制5倍的电视信号以五十分之一或更低的bit率进行传送。ATSC第一个标准版本是Doc.A/53(1995)，最新版本是Doc.A/53D19July2005，A/53D文件中规定了ATSC系统包括五个附件，见表12－7所示。表12－7ATSC系统组成视频系统特性使用了MPEG-2的System（ISO/IEC13818-1）和Video(ISO/IEC13818-2)两部分，定义了两种扫描和接口标准：SMPTES17.392(1995)的1280×720p和SMPTE274M(1994)的1920×1080i，均为16:9图像的幅宽比。ATSC的音频采用杜比AC-3，标准编号是Doc.A/5220Dec95ATSC标准的文件可以在ATSC网站上免费下载。3．日本ISDB标准ISDB是日本的数字广播专家组制订的数字广播系统标准，它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。4．中国地面数字电视标准⑴标准规定中国地面数字电视标准见表12－8所示。表12－8中国地面数字电视标准该标准为强制标准，转换期一年。（2）标准范围本标准规定了在UHF和VHF频段中，每8MHz数字电视频带内，数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制技术要求。本标准适用于数字电视地面广播传输系统，支持标准分辨率和高分辨率的数字电视信号的发送，支持固定接收和移动接收。其标准范围如图12－10所示。图12－10数字电视标准范围5．数字电视标准使用情况结合各国实际，数字电视标准使用情况见图12－11所示图12－11数字电视标准的使用情况第二节数字电视接收机一、数字电视综合接收机真正的数字电视从信号采集、编辑到终端显示全都采用数字信号，为此必须投巨资对目前的电视系统从演播室制作、传输到用户的电视接收机进行全盘更新改造。美国在2006年全面推行数字电视，业已形成的数以亿计的电视机用户也将不堪重负，因此我国实现电视广播的数字化还有一段漫长的道路。1．数字电视的分类（1）按清晰度分：标准清晰度（SDTV）电视和高清晰度电视（HDTV）。①标准清晰度电视(SDTV)和今天普通电视的质量一样，扫描格式有720×576p,但区别之处在于SDTV是以数字方式传输的，没有“雪花”和“鬼影”等干扰现象。以欧洲DVB为标准的标准清晰度数字电视广播方式，在全世界普及最为成功，在各国都得到普遍应用，近年来在欧洲、北美每年都有上千万台接收机销售。②高清晰度电视：1280×720、1920×1080（16：9），其拍摄、编辑、制作、播出、传输、接收等一系列电视信号的播出和接收全过程都使用数字技术。数字高清晰度电视是数字电视(DTV)标准中最高级的一种，简称为HDTV。它是水平扫描行数至少为720行的高解析度的电视，宽屏模式为16：9，并且采用多通道传送。HDTV的扫描格式共有3种，即1280×720p、1920×1080i（隔行扫描）和1920×1080p（逐行扫描），我国采用的是1920×1080i/50Hz。（2）按电视制式分：目前在全球数字电视广播领域有三个相对成熟的标准制式正在参与全球制式竞争。他们是欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB。三者之间相互独立，在各自特定的应用领域里具有自己的优势。（3）按传播方式分：数字卫星电视（DVB-S）、数字有线电视（DVB-C）、数字地面电视（DVB-T）。2.数字电视的结构及工作原理（1）数字电视的结构下面以DVB-S系统为例介绍数字电视接收机工作过程及原理。DVB-S的系统结构方框如图12－12所示。图12－12DVB-S的系统结构图（2）工作原理及信号处理过程DVB-S接收数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析。各类信源在进入有线电视网络之前经过两级编码，第一级是音视频信号的信源编码，并将所有信源封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。与前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原压缩的信源编码信号，恢复原始音视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。DVB-S的工作过程如下：数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，并进行解调和信道解码处理，输出MPEG-2多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从MPEG-2传输流数据中抽出一个节目的已打包的音视频基本流（PES）数据，包括视频PES，音频PES和辅助数据PES，解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰，解复用器输出的是已解扰的视音频PES。视频PES送入视频解码器，取出MPEG-2视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码器，取出MPEG-2音频数据并对其解码，输出PCM音频数据到音频D/A变换器，音频D/A变换器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出。二、有线数字电视接收机DVB-C即有线数字电视接收系统，由节目源的复用、条件接收系统、传输系统及终端接收四大部分组成，若要组成商用DVB-C系统，还要加上用户管理系统。DVB-C既是一种通用的数字电视系统标准，同时又在节目上具有严格的保密性；做到了同时具备统一的服务信息格式、条件接收技术规范以及不同的加密方式。有线数字电视（DVB-C）接收机的组成方框如图12－13所示。图12－13有线数字电视接收机接收通道图DVB-C分为两个部分：CATV前端和综合解码接收机。为了使各种传输方式尽可能兼容，除通道调制外的大部分处理均与DVB-S的处理相同，随后进行的处理是专门用于电缆电视的。其中，网络接口单元主要完成信号接收、变频和信号的解调。MPEG－2传输流解复用、音视频解码及系统控制单元，它包括中心处理器芯片（CPU），外围存储器及相关电路。它主要完成：（1）中心处理器：用于系统控制和机顶盒与外界的通信控制；（2）解复用部分：这个模块的功能实现，有些系统是用软件来完成的，这种方式对CPU的资源占用较大，系统灵活性不好；有些使用固定的硬件解复用，占用CPU的资源较少，仅仅是用来识别MPEG的各种表并设置寄存器而已，这种方式系统灵活性较大，解复用后，生成MPEG的PES流，传给专用的解码芯片。（3）解扰部分：这个模块运算量较大，几乎所有的DVB专用的解复用芯片都将解扰的硬件模块集成进去，此模块控制相应的一块内存，一旦解复用时发现了加扰的MPEG数据包，则使用DMA方式将数据包传入解忧模块对应的内存中去，解忧后再传回来，继续以后的解码过程。这个过程，所要占用的系统资源较多，而且时间上也很紧张，所以，针对有加密系统的机顶盒，其软件往往要经过优化。（4）MPEG解码：此部分对MPEG－2码流进行音视频解码，它需要有自己的相应外部存储器（如SDRAM）来完成运算。它的重要性不言而喻，其算法是否优秀决定了整个系统的运行速度。第三节有线数字电视机顶盒电视技术的进步一刻都没有停止过，在经历了电视有线化和光纤化之后，我们正进入数字电视时代。在数字高清电视一体机（带数字电视机顶盒模块的电视）大规模上市前，数字电视机顶盒就担负起了实现无论是模拟电视机，还是数字高清电视机（HDTV-Ready）观看数字影像的桥梁。通过它，用户能够轻松地通往更高清晰度、更多节目选择、更多机会参与的数字电视时代。现在大家看电视还是被动地接受别人的安排，专家们形象地称这种“看电视”的方式叫做“推的过程”，这个“推”的意思是说，电视节目主持人、导演或节目制作人通过电视台把节目“推”到用户的